海藻酸钠研究进展

海藻酸钠及其衍生物 海藻酸钠（Sodium Alginate）,也叫褐藻酸钠、褐藻胶，是从褐藻中提取出来的一类多糖，它是褐藻的细胞膜组成成分，在海带中含量最为丰富，高达30%-40%。通过干燥粉碎经水洗干净的海带，用1.5%的Na2CO3溶液浸泡、过滤，往滤液加入盐酸调pH<3，使海藻酸沉淀析出，再用1.5%的Na2CO3溶液将海藻酸转化成为海藻酸钠，最后用乙醇溶液沉淀出海藻酸钠产品[7,8]。 海藻酸钠便宜易得，用途十分广泛，用作纺织品上的浆剂和印花浆，同时作为增稠剂、稳定剂、乳化剂大量应用于食品工业中。也应用于生物技术，包括细胞封装、蛋白质运载和组织工程等。此外，由于海藻酸钠具有良好的生物相容性和生物降解性[9]，其在生物医药行业也得到了重视。另外，海藻酸钠具有生物黏着性，因此可用作药用生物黏附材料。 海藻酸钠为白色或淡黄色的粉末，几乎无臭，无味，有吸湿性，不溶于乙醇、乙醚或酸（pH<3），溶于水形成粘稠状液体，1%水溶液pH值为6-8。海藻酸钠是由α–L-古洛糖醛酸钠（a-L-guluronate，简称G）和β-D-甘露糖醛酸钠（β-D-mannuronate，简称M）1、4连接的长链线性多糖[10]，分子式为(C6H7O6Na)n，M和G以及海藻酸钠的结构式如图1-2所示。其化学组成及M和G的序列取决于样品提取的来源。 海藻酸钠分子链在水溶液中呈线团状构象。其中M/G的比值以及各嵌段的分布，与海藻酸钠的物理化学性质和应用有直接的关系。海藻酸钠作为一种线性多糖，其分子链在溶液中呈线团状的分布，具有 MM、MG、GG结构，其官能基尤其GG结构很容易与二价离子Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+等发生键合，键合有分子内交联与分子间交联两种形式，形成“egg-box”结构。由于分子间的架桥作用，引起海藻酸钠溶液性质的显著改变，    并且对不同二价阳离子的选择性不同[7]。 纳米药物控释体系 纳米药物控释系统就是将药物制备成纳米级的胶体载体（colloidal carrier）系统，控制药物在特定的部位以特定的速率释放。药物胶体载体经静脉注射进入血液循环后，可能很快被机体清除，而不能到达效应器官或组织处发挥作用，因此如何让延长纳米载体在血液循环中的停留时间，进而获得针对特定部位的靶向性是设计纳米药物控释系统需要考虑的因素[13]。 两亲性多糖衍生物纳米胶束 两亲性聚合物(Amphiphilic Polymer)[38]是指同一大分子中既具有较长的疏水性链段又具有较长的亲水性链段的聚合物，由于这种不相容的两亲性链段的存在，赋予其独特的两亲性质，因而在面活性剂 [39]、增稠剂[44]、增容剂[45]等领域得到了广泛应用。随着世界环境问题的日益严重和人类环保意识的增强，可再生资源的开发应用受到日益重视[46]；以具有良好生物相容性、可生物降解性、再生周期短的亲水性多糖为原料，制备两亲性多糖衍生物(Amphiphilic Polysaccharide Derivatives)成为研究的热点[47]，所得产物在药物缓释[49]、基因转染[50]等生物医学领域得到广泛应用。 近年来，两亲性多糖衍生物的研究不断受到人们的关注，尤其是梳形两亲性多糖衍生物，其结构通常为亲水性多糖主链接枝疏水基团，衍生疏水侧链（如图1-3 所示）。 图 1-3、两亲性多糖衍生物的结构示意图 两亲性接枝共聚物胶束通常同时具有亲水链段和疏水链段，聚合物的疏水链段在水中通过疏水相互作用构成胶束的内核，而亲水链段则在胶束内核的周围构成胶束的外壳，其自聚集过程如图1-4[19]所示。 图 1-4、两亲性多糖衍生物的自聚集过程 胆固醇基接枝的海藻酸钠衍生物(Alg-Chol)的合成 以干燥的海藻酸作为改性原料，由于二甲基亚砜吸水性强，改性前先用氢化钙干燥DMSO一星期以上。量取约90mL的DMSO置于500mL的圆底烧瓶中，以纸槽作为辅助缓慢加入3.0g海藻酸于50℃下搅拌溶解过夜。随后降温至室温，为了制备不同取代度的海藻酸钠衍生物，胆固醇的用量按质量比M(Alg):M(Chol)=1:2、1:1和2:1称取。 将称量好的胆固醇溶于10mL的三氯甲烷，缓慢地滴加到上述海藻酸溶解液中搅拌均匀。另分别称取0.96gDCC和0.28gDMAP溶于15mL DMSO中，再滴加到上述混合液中，于室温搅拌反应24h。反应结束后移出，加4倍体积无水乙醇沉淀，离心分离，除去上清液，真空干燥沉淀物。     最后将此干燥后的黄色粉末溶解在50mL的蒸馏水中，用质量分数为4%的碳酸氢钠溶液调pH=7.0，静置3h之后离心分离不溶物。在旋蒸仪上浓缩上清液至15mL，装入截留分子量为1400的透析袋中透析5天后移出，加4倍体积无水乙醇沉淀、离心、干燥，即得胆固醇基接枝的海藻酸钠衍生物(CSAD)。 Alg-Chol的化学结构分析 1、红外光谱分析(FT-IR)：KBr压片法制样，扫描次数为32次，分辨率为4cm-1。 2、核磁共振分析（1H-NMR）：Chit-DC样品以D2O为溶剂，DC样品以DMSO为溶剂，胆固醇以CDCl3为溶剂，Alg-Chol样品以D2O为溶剂，样品浓度均为5mg/ml，通过压水峰处理，常温下测定。通过1H-NMR的积分计算脱氧胆酸基团的取代度。 Alg-Chol的胶束化行为表征 1、实验方法及实验条件：荧光光谱法测定临界胶束浓度（CAC） 实验条件： 激发光谱：波长为 330nm，狭缝为 2.5nm。 发射光谱：波长范围为 350-500nm，狭缝为 2.5nm。 2、溶液的配制： (1)分别配制浓度为2mg/mL的Chit-DC母液和Alg-Chol母液。 (2)准确称取10mg的芘，用5mL甲醇溶解，转移至50mL容量瓶定容，得到浓度为1.0×10-3mol/L的芘/甲醇溶液。用微量注射器移取5μL芘/甲醇溶液加入到一系列5ml容量瓶中，通N2将甲醇吹干。将上述两种纳米胶束母液按一定体积分别移入含有固体芘的5ml容量瓶中，用PBS(pH6.2)的缓冲溶液定容。得到一系列含芘探针的Alg-Chol胶束溶液，它们的浓度分别为2.0、1.5、1.0、0.6、0.3、0.1、0.006、0.003、0.001、0.0006、0.0003和0.0001mg/mL。 (3)将上述胶束溶液置于45℃水浴中静置24h，整个过程中间断超声处理4-5次，每次2-3min。 3、芘荧光发射光谱的测定：读取λ1＝372nm和λ3＝383nm处的峰强度值I1和I3。并计算I1/I3。 Alg-Chol的化学合成与结构分析 本工作利用海藻酸上的 -COOH与胆固醇上的-OH通过偶联剂DCC和催化剂DMAP的作用进行酯化反应，然后将剩余未反应的-COOH碱化成 -COO-Na+，从而合成出两亲性的海藻酸钠衍生物（Alg-Chol），其反应过程如图2-4所示。 图 2-4、 胆固醇/海藻钠衍生物的合成路线 图 2-5、 两亲性含胆固醇基海藻酸钠衍生物的结构示意图 图 2-6、FTIR 谱图：（a）Alg-Chol,（b）海藻酸钠, (c)胆固醇 通过FT-IR光谱法对Alg-Chol的化学结构进行了分析，如图2-6所示，Alg-Chol的FT-IR谱图的各个峰的归属如表2-3所示。与海藻酸钠和胆固醇的红外光谱谱图相比，Alg-Chol在1733cm-1处的吸收峰表明Alg-Chol中存在着酯键，该峰为酯基中的C=O伸缩振动峰，由此可以推出海藻酸钠上的-COOH与胆固醇上的-OH发生了酯化反应。 图 2-7、1H-NMR谱图：(a) Alg-Chol (溶剂：D2O)，(b)海藻酸钠(溶剂：DMSO)，(c)胆固醇(溶剂：CDCl3) Alg-Chol、海藻酸和胆固醇的1H-NMR波谱如图2-7。在Alg-Chol和海藻酸钠原料的1H-NMR中，化学位移在3.5-6.0ppm之间的信号峰是海藻酸钠主链上葡萄糖单元环上的质子核磁共振峰。胆固醇上的质子产生的共振信号分布在0.6-2.4ppm之间，从图中可明显看到，Alg-Chol与原料海藻酸的1H-NMR相比，在Alg-Chol的1H-NMR中出现了化学位移为 1.0-2.5ppm的宽峰,其中约δ1.677ppm和δ2.202ppm两个宽峰分别为胆固醇上-CH3质子的共振峰。因此1H-NMR结果进一步证实海藻酸钠上的-COOH与胆固醇上的-OH发生了酯化反应。